高层建筑火灾风险分析

《高层建筑火灾风险分析》文献综述

1. 概述

近年来，随着我国城市建设的步伐加快，建筑用地日益紧张，使建筑物向高空发展，城市的高层、超高层建筑数量日益增多。截止2011年底，我国高层建筑数量超过162000栋，其中超高层建筑高达1500余栋[1]。与此同时，我国高层建筑火灾也呈不断上升的趋势，而且火灾规模越来越大，危害也越来越严重。据《中国消防年鉴》[2]统计，2002～2006年7年间全国共发生高层建筑火灾1054起，而2007～2009年仅3年全国就发生了2040起，增长了3.5倍。同时由于高层建筑人群高度密集、财产高度集中，其火灾发生给人民群众的生命财产造成了巨大损失。据公安部统计的数据表明，我国城市社区火灾逐年呈明显上升趋势，尤其是高层建筑火灾占相当比例[3]，因此针对高层建筑现有的火灾隐患状况、分析评价其风险，并提出有效对策具有重要的现实意义。

2. 高层建筑火灾特点及其风险综述

2.1 高层建筑火灾特点

通过阅读大量的文献以及国内外的一些典型高层建筑火灾案例[4-12]得出，高层建筑火灾的主要特点是蔓延迅速，易形成烟囱效应，极易向上迅速蔓延，导致数个楼层同时燃烧，形成立体火灾，而且热烟毒气危害严重，直接威胁着人们的生命安全。其火灾特点可以概括为以下四个方面。

1) 火势蔓延途径多，速度快，危害严重

2) 安全疏散困难，容易造成群死群伤事故

3) 空间和功能复杂，起火因素多

4) 消防灭火设施不够完备，扑救困难

2.2 高层建筑火灾风险分析

通过查阅相关文献[7-15]及我国的数起重特大高层建筑火灾事故案例分析可知，当前我国高层建筑面临的火灾风险主要表现在以下几个方面：火灾从外墙面突破防火分区、火灾从建筑内部突破防火分区、疏散通道安全可靠性不够。此外，防火分区内部的房屋或功能区域大量使用可燃或易燃的装修材料、家具组件及电器，以及存放大量可燃物品也给高层建筑带来了潜在的火灾隐患。

3.2.1 火灾从外墙面突破防火分区

1) 外墙保温材料及系统阻止火焰蔓延的能力不足

2) 幕墙系统的防火设计存在缺陷

3) 广告装饰牌的设置缺乏必要的防火规定

4) 阳台雨棚的防火要求不明确

3.2.2 火灾从内部突破防火分区

火灾从建筑内部突破防火分区是建筑火灾水平、垂直蔓延的主要途径。在高层建筑火灾事故案例中发现，建筑往往存在防火分区开口处的防火门、防火卷帘的安装使用不正确问题和建筑中各种竖向管井和孔洞未按规范要求严格封堵或者封堵不合理的问题。

3.2.3 疏散通道被燃烧烟气封锁

尽管我国建筑设计防火规范针对疏散楼梯、避难层（间）和防火门（窗）进行了相关规定，但是从近年来国内高层建筑发生的一系列恶性火灾事故来看，我国高层建筑疏散楼梯、避难层（间）的安全性和防火门（窗）在实际使用过程中的可靠性还存在一些问题。主要表现为：封闭楼梯间、防烟楼梯间及前室所用的防火门不能保持关闭状态；防火门不具备防烟功能。

3.2.4 灭火救援能力无法达到相应的高度

我国现有消防车的供水能力和供水器材的耐压强度一般达不到高层建筑的高度，且现有固定消防设施无论在研发、设计上，还是在施工、管理方面，都存在一定的缺陷，举高消防车和消防直升机由于受施展空间的限制，其作用也有限。

3.2.5 人员密集场所的火灾风险

高层建筑层数多，面积大，可燃和易燃材料多，且人员集中，建筑结构复杂，一旦发生火灾，火势会迅速蔓延，而疏散十分困难，对人员的生命财产安全构成严重的威胁。

3. 国内外火灾风险评价研究现状综述

3.1 国外研究现状

20 世纪 80 年代中期，加拿大国家研究院（National Research Council of Canada，NRCC)在渥太华建造了一座 10 层火灾研究实验塔，用于开展烟气控制系统的全尺寸实验研究，并出版了《烟气控制系统设计》一书，其内容包括烟气控制系统基本概念、计算机分析、楼梯间加压、区域烟气控制以及一些可以接受的测试方法等，为暖通工程师进行防火设计提供了一定的理论依据和技术指导。

1990年，美国提出评估特定场所内使用产品火灾风险的FRAMEworks方法[16]。

1992 年美国提出了第一个被广泛采用的防火安全分析与设计的性能化方法：\"火灾致损评估（FIVE：Fire-Induced Vulnerability Evaluation）方法\"[17]。

1993年，美国提出了建筑防火评估方法(The Building Fire Safety EvaluationMethod， BFSEM )[18]。澳大利亚提出风险评估模型(RAM:Risk Assessment Modeling)[19]。

1994年，Satoh等人也对高层建筑内中庭大空间内烟气运动进行了一些小尺寸和全尺寸的烟气研究。英国的用来评估住宅人员生命安全的Crisp II[20]。

1995年，日本提出了建筑物综合防火安全设计方法[21]。加拿大提出了FIRECAM方法[22]。

1998年，澳大利亚提出了新的风险评估模型(CESARE-RISK模型)[23]。

2000 年 Tanaka等人利用小尺寸竖井实验台，对竖井结构烟气羽流特性进行了一些实验研究，利用简单的量纲分析仅提出了开放竖井内烟气羽流上升时间的确定因素。

2004年Chow对竖井内烟气运动进行了尺度模拟，推算出了相应烟气运动时间经验公式。

目前，国外高层建筑防火研究主要研究火灾中烟气运动规律及控制理论。研究方法主要采用理论模拟方法和实验方法。RONALDGREHM 等建立了评估世界贸易中心火灾行为的模型。

3.2 国内研究现状

我国关于火灾风险评估的研究相对发达国家起步较晚，但随着近年来与国外相关研究机构的交流，目前已经开展了火灾风险评估方面的研究，并取得了一定的成果。

1989年，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的成立标志着我国的火灾基础科学研究迈出了新的一步。

1995年，范维澄等[24]运用火灾规律双重性理论，探讨建筑火灾综合模拟评估的理论框架，以影院、会堂类大空间建筑为例，运用一些可调试的模拟方法、统计分析及其模型，给出了在火灾评估具体环节和应用程式上的量化描述。

1996年，公安部天津消防研究所开始研究火灾模拟的相关方法。特别是在\"九五\"期间，公安部天津消防研究所在国外相关程序的基础上，开发了主要针对大型地下商场人员疏散的模型Egress，该模型在考虑人流方面具有突出的特点。

1998年，由加拿大国家研究委员会研究的计算机风险费用评估模型被用来标明高层办公建筑的经济合理的防火设计（火灾风险评估与费用估价模型）是一种用于评估建筑内部

居住者生命风险和预期的财产损失的计算机模型[25]。

2001年，韩新[26]等以性能化建筑设计防火规范为背景，以消防安全工程学的实际发展水平和我国现行建筑设计防火规范为基础，初步建立了建筑火灾危险性评估性能化方法的基本框架，确定了此框架所应具有的基本假定、主要特性、功能和三角形模块结构，系统阐述了相应评估方法的基本内容。

2002年，杜红兵[27]等针对高层建筑火灾的安全问题，参考高层民用建筑设计防火规范并征求有关专家意见，建立了高层建筑火灾风险的多级多层次评价因素集，运用层次分析法确定了各评价因素的权重。根据模糊综合评价原理提出了高层建筑火灾风险的模糊综合评价模型，并应用此模型对某高层建筑的火灾风险进行了评价，得到此建筑的火灾安全等级。

2003年，王鹏飞[28]等应用模糊数学方法对商场火灾进行了研究，建立了评价商场火灾的模糊评价模型，并讨论了指标体系的建立及量化和权重的处理方法。徐敏等[29]通过对模糊综合评价和人工神经网络评价进行分析比较，表明神经网络采用非线性转换函数的处理方法更符合火灾风险评价的非线性特征。针对神经网络易陷入局部极小而引起评价指标权值分布不合理的缺陷，提出运用遗传算法克服神经网络的缺陷，在此基础上建立了基于遗传算法和神经网络的建筑火灾风险评价模型，研究实例证明了此模型的可行性。

2004年，卢兆明等[30]将灰色系统中的灰关联分析方法与高层建筑中对火灾风险有影响的因子相结合，建立了高层建筑火灾风险评估的灰关联评估模型。在该模型中对权重的选取、多层次的灰关联综合评判进行了方法上的研究，最后对高层建筑火灾风险评估进行了实例分析。

2006年，王振等[31]应用区间层次分析法(IAHP)对高层建筑火灾安全因素进行了研究。

2007年，毛春艳等[32]应用物元分析法对高层建筑火灾风险进行了研究。

2008年，毛春艳等[33]应用多级物元分析法对高层建筑火灾风险进行了研究。

2009年，徐少波[34]针对高层建筑消防设计的一系列问题，根据大型高层建筑火灾风险的22个评价指标并根据实际问题确定了因素分类，建立起高层建筑火灾风险评估的灰色关联评估模型。

2010年，万金宝等[35]应用灰色模糊综合评估法对高层建筑火灾风险评估进行了研究。

2011年，龙腾腾[6]等在借鉴了事故致因理论的基础上，对高层建筑火灾风险进行了全面的分析。辛晶等[36]基于云理论的基础建立了云模型，运用该模型对高层建筑火灾风险进行了评估。

2012年，王旭文[11]均采用了事故树分析的方法对高层建筑火灾风险进行评估分析。

2013年，曹功立[37]将模糊数学中相关原理引入到层次分析法中，通过构建FAHP-FCE模型对高层建筑火灾风险进行评估

目前，基于火灾动力学与小样本统计理论耦合的火灾风险评价方法是未来的发展方向。如何结合动力学理论与统计理论，发展建立在对火灾演化机理和规律认识基础上的事故树分析等危险性统计评价方法，是火灾风险方法学的重要研究课题。

4. 本文的研究内容及方法

4.1 研究技术路线图

图1研究技术路线图

4.2 主要研究内容

本文在前人研究的基础上，运用安全系统工程、建筑防火、人机工程学等安全工程的相关专业知识，统计归类高层建筑火灾的特点及各种风险，得出引发高层建筑火灾的主要原因和起火的重点部位。采用事故树分析方法，应用安全系统工程理论，判断特定事故，对顶上事件进行演绎分析，层层剖析其发生的基本原因和典型故障，预测引发高层建筑重大或特大火灾事故的可能事件。采用定性和定量分析相结合的方法，对高层建筑火灾风险进行评估分析，并对易失控的初始事件进行量化，得出预防高层建筑火灾基本事件结构的重要度顺序。结合上述事故树分析法辨识出的火灾风险，运用事故致因理论和相关的安全分析方法寻找出各指标之间的层次关系，从而建立一套完整、科学的指标体系。指标的选取是模型建立的基础，本文通过文献综述，政府相关消防规定，事故树分析等总结出了各项指标，并对每个指标做出详细说明，以验证其正确性和合理性。选择合适的理论和方法对指标进行筛选并对指标的有效性进行验证是保证评价结果客观准确的关键，这是本文重点讨论的内容。基于模糊一致判断矩阵的层次分析法和模糊综合评价两种方法相结合对高层建筑火灾风险进行评价也是文章内容的主要内容。最后，本文通过典型案例分析将两方面联合起来以对高层建筑的火灾风险进行评估，以验证模型的科学性与实用性，为高层建筑在火灾防治方面提供参考。

4.3 主要研究方法

本文首要方法：事故树分析方法、层次分析法和模糊综合评价法；支持方法有：文献

资料法、综合分析法、调查法、经验案例实证法；辅助方法：图表法、定性和定量方法。首先查阅国内外关于火灾风险评估的文献，了解国内外关于高层建筑火灾风险评估的研究情况，然后通过对比分析目前主要的火灾风险评估方法存在的问题，确定本篇论文所要采用的研究方法，即事故树分析法、层次分析法与模糊综合评价相结合的方法，建立相应的评估模型。最后采用案例分析法，选取典型案例，以实证研究验证方法的科学性及合理性。

4.4 创新点及局限性

1) 创新点

高层建筑火灾风险评价指标体系的建立。在把握指标体系构建的六个基本原则的基础上，结合高层建筑火灾的特点与事故树分析结果，运用事故致因理论及相关的安全分析方法，参照文献综述确定了影响高层建筑火灾风险的若干指标。指标确定之后，经过分析筛选，对指标进行信度和效度分析，建立了行之有效的指标体系。

本文首次提出将事故树分析法、层次分析法和模糊综合评价结合起来的评价方法。首先通过事故树分析法对风险进行了首次定性、定量分析，在此系统分析的基础上建立了高层建筑火灾风险评价指标体系，然后采用层次分析法和模糊综合评价确定了模糊综合评价模型，最后通过典型案例分析，验证模型在研究火灾风险方面的适用性。

2) 局限性

高层建筑结构越来越复杂，评估指标之间的耦合性越来越大,因此,还需进一步研究高层建筑物火灾风险评估指标体系和各评价指标的标准值。

5. 小结

结合高层建筑火灾特点、风险分析与国内外高层建筑火灾风险研究现状，以及频繁发生的火灾安全事故给社会带来的巨大的人和物的损失，本文提出了将事故树分析法、层次分析法和模糊综合评价结合起来的评价方法。然后，介绍了文章所使用的研究内容，研究方法和技术路线，最后对于文章的研究内容以及创新点也做了简要介绍。

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